微型计算机原理及接口技术(第五章).ppt
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1、微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,本章重点:1)简单I/O 电路2)中断控制接口芯片8259功能及应用3)计数计时接口芯片8253功能及应用4)并行接口芯片8255A功能及应用5)以上三个芯片的实验,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,5.1 概述 5.1.1 I/O信号的形式(1)开关量 开关量可表示两个状态,如开关的断开和闭合,机器的运转与停止,阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开关量只要用一位二进制数即可表示。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,(2)数字量 数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。
2、例如,由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与 CPU交换的信息,它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数符。(3)脉冲量 这一类信号的稳定状态虽然也只有0、1两种,但更被关注的是其两个稳态之间的变化,例如由“0”变到“1”,称为信号发生正跳变(或信号的上升沿)。在电路状态转换或数据选通过程中,往往是其他信号都准备好以后,用某个脉冲量的跳变来最后确定动作的时间;有些场合也用脉冲量进行计数。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,(4)模拟量 当计算机应用于控制系统中时,输入的信息一般为来自现场的连续变化的物理量,如温度、压力、流量、位移、湿度等,这些物理量通过传感器并经
3、放大处理得到模拟电压或电流,这些模拟量必须先经过模拟量向数字量的转换(A/D转换)后才能输入计算机。反过来,计算机输出的控制信号都是数字量,也必须先经过数字量向模拟量的转换(D/A转换),把数字量转换成模拟量才能去控制现场。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,5.1.2 I/O接口 接口是连接计算机和I/O设备的部件,首先是指接口电路,广义的接口还包括接口电路的管理驱动程序。1.I/O接口的功能(1)信号的形式变换(2)电平转换和放大(3)锁存和缓冲(4)I/O定向(5)并行和串行I/O的转换,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,2.I/O的内容分类 主机与I/O
4、设备之间交换的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。(1)数据信息 I/O的内容是以数字信号形式表示的数值或字符,称为数据信息。例如测量的数据结果,文本文件的内容等在传送过程中都属于数据信息。通常情况下,数据信息是I/O的主要内容。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,(2)状态信息 状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信息,反映了当前外设所处的工作状态,是外设通过接口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取,可得知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等情况。对于输入设备,一般用准备好(READY)信号的高低来表明待输入的数据是否准备就绪;对于输出设备,则
5、用忙(BUSY)信号的高低表示输出设备是否处于空闲状态,如为空闲状态,则可接收CPU输出的信息,否则CPU要暂停送数。因此,状态信息能够保障CPU与外设正确地进行数据交换。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,(3)控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外设的,CPU通过发送控制信息设置外设(包括接口)的工作模式、控制外设的工作。如外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。实际上,控制信息往往随着外设的具体工作原理不同而含义不同。虽然数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同,但在微型计算机系统中,CPU通过接口和外设交换信息时,只能用输入指令(IN)和输出指令(OUT)传送数
6、据,所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送的,即把状态信息作为一种输入数据,而把控制信息作为一种输出数据,这样,状态信息和控制信息也通过数据总线来传送。但在接口中,这三种信息是在不同的寄存器中分别存放的。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,3.I/O接口的构成 I/O接口的基本结构如图5.1所示。每个接口电路中都包含一组寄存器,CPU与外设进行信息交换时,各类信息在接口中存入不同的寄存器,一般称这些寄存器为I/O端口,简称为口(Port)。用来保存CPU和外设之间传送的数据(如数字、字符及某种特定的编码等)、对输入/输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口;用来存放外
7、设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口;用来存放CPU发给外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,图5.1 一个典型的I/O接口,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,5.1.3 I/O编址 正如每个存储单元都有一个物理地址一样,每个端口也有一个地址与之相对应,该地址称为端口地址。有了端口地址,CPU对外设的输入/输出操作实际上就是对I/O接口中各端口的读/写操作。数据端口可以是单向的也可是双向的。数据是输入还是输出,由外设性质决定,对该端口地址进行输入/输出操作时,CPU要向接口电路的读/写控制信号。由于状态端口只做输入
8、操作,控制端口只做输出操作,因此,有时为了节省系统地址空间,在设计接口时往往将这两个端口共用一个端口地址,再用读/写信号来分别选择访问。应该指出,输入/输出操作所用到的地址总是对端口而言,而不是对接口而言的。接口和端口是两个不同的概念,若干个端口加上相应的控制电路才构成接口。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种:存储器映像编址和 I/O端口单独编址。1存储器映像编址 这种编址方式是对I/O端口和存储单元按照存储单元的编址方法统一编排地址号,由I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址空间。例如,对于一个有16根地址线的微机系统,若
9、采用统一编址方式,其地址空间的结构如下图所示。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,采用统一编址方式后系统的特点:1)CPU对I/O端口的输入/输出操作如同对存储单元的读/写操作一样,所有访问内存的指令同样都可用于访问I/O端口。2)简化和控制器和指令系统的设计,无需专门的I/O指令,给使用者提供了很大的方便。3)由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间,因而相对减少了内存的地址可用范围。MCS-51单片机就是采用存储器映像编址,因此没有专用的I/O指令,地址线16条,存储器与I/O端口地址共64K。,微型计算机原理及接口技术,第
10、5章 数字量输入输出,2I/O端口单独编址 在这I/O端口单独编址方式中,系统建立了两个地址空间,一个为内存地址空间,一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相对独立的,通过控制总线来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。为确保控制总线发出正确的信号,除了要有访问内存的指令之外,系统还要提供用于CPU与I/O端口之间进行数据传输的输入/输出指令。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,80 x86 CPU组成的微机系统都采用独立编址方式。在8086/8088系统中,共有20根地址线对内存寻址,内存的地址范围是00000HFFFFFH;用地址总线的低16位对I/O端口寻
11、址,所以I/O端口的地址范围是0000HFFFFH,如下图所示。CPU在访问内存和外设时,使用了不同的控制信号来加以区分。例如,当8086 CPU的M/IO信号为1时,表示地址总线上的地址是一个内存地址;为0时,则表示地址总线上的地址是一个端口地址。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,I/O端口与内存单元独立编址,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,采用I/O独立编址后系统的特点:1)采用独立编址方式后,存储器地址空间不受I/O端口地址空间的影响。2)专用的输入/输出指令与访问存储器指令有明显区别,便于理解和检查。3)CPU需设计专用I/O指令及控制逻辑,增加了系
12、统的复杂性。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,5.1.4 I/O的控制方式1直接传送方式 微机系统中的一些简单的外设,如开关、继电器、数码管、发光二极管等,在它们工作时,可以认为输入设备已随时准备好向CPU提供数据,而输出设备也随时准备好接收CPU送来的数据,这样,在CPU需要同外设交换信息时,就能够用IN或OUT指令直接对这些外设进行输入/输出操作。由于在这种方式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考虑外设的状态,故也称之为无条件传送方式。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,对于简单外设,若采用直接传送方式,其接口电路也很简单。如简单外设作为输入设备时,输
13、入数据保持时间相对于CPU的处理时间要长得多,所以可直接使用三态缓冲器和数据总线相连,如下图(a)所示。当执行输入的指令时,读RD信号有效,选择信号M/IO处于低电平,因而三态缓冲器被选通,使其中早已准备好的输入数据送到数据总线上,再到达CPU。所以要求CPU在执行输入指令时,外设的数据是准备好的,即数据已经存入三态缓冲器中。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,简单外设为输出设备时,由于外设取数的速度比较慢,要求CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间,因而一般都需要锁存器,如上图(b)所示。CPU执行输出指令时,M/IO
14、和WR信号有效,于是,接口中的输出锁存器被选中,CPU输出的信息经过数据总线送入输出锁存器中,输出锁存器保持这个数据,直到外设取走。无条件传送方式下,程序设计和接口电路都很简单,但是为了保证每一次数据传送时外设都能处于就绪状态,传送不能太频繁。对少量的数据传送来说,无条件传送方式是最经济实用的一种传送方法。,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,程序:MOV DX,218H IN AL,DX,直接输入输出接口举例1)简单输入接口电路IOR=M/IO+RD,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,例:由上图K4-K1输入一个BCD码存入DATA1单元,同时在显示器上显示:解
15、:MOV DX,218H IN AL,DX AND AL,0FH CMP AL,0AH JC ERR MOV DATA1,AL OR AL,30H MOV DL,AL MOV AH,02 INT 21H:ERR:,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,2)简单输出接口 IOW=M/IO+WR MOV DX,219H OUT DX,AL,微型计算机原理及接口技术,第5章 数字量输入输出,例:从上图(8位)循环移位显示初值01或80和,每显示一次延时1S。MOV DX,219H MOV AL,01NEXT:OUT DX,AL CALL DELAY;(延时程序中DX,AL不得改变?为什么
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- 微型计算机 原理 接口 技术 第五
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